Сәулелену термодинамикасындағы қолхана және инерциялық тұтқырлық синтезіндегі ролі

Кіріспе

Радиациялық термодинамикада hohlraum (; "бос кеңістік" немесе "қуыс" деген нақты емес неміс сөзі) – қабырғалары қуыстың ішіндегі сәулелену энергиясымен радиациялық тепе-теңдікте болатын қуыс. Бұл идеалды қуысты практикада кез келген опақ материалдан жасалған қуыс ыдыстың қабырғасына кішкентай тесік жасау арқылы шамамен келтіруге болады. Мұндай тесіктен шығатын сәуле, ыдыстың ішкі температурасындағы қара дене сәулесіне жақын болады.

Инерциялық тұтқындаудағы синтез

Инерциялық шектеудегі термоядролық синтездің жанама әдісі мынадай: термоядролық отын капсуласы цилиндр тәрізді хольраумның ішінде орналастырылады. Хольраум корпусы жоғары Z (жоғары атомдық нөмірі) элементтен, әдетте алтын немесе ураннан жасалады. Хольраумның ішінде дейтерий және тритий (DT) отыны бар отын капсуласы орналасқан. DT мұзының қатып қалған қабаты отын капсуласының ішкі бетіне жабысады. Отын капсуласының қабырғасы пластик, бериллий немесе жоғары тығыздықтағы көміртек, яғни алмаз сияқты жеңіл элементтерден жасалады. Лазерлік сәулелендіру кезінде хольраум қабырғасы тудырған рентген сәулелерімен абляцияланғанда отын капсуласының сыртқы бөлігі сыртқа қарай жарылады. Ньютонның үшінші заңына сәйкес, отын капсуласының ішкі бөлігі күйрейді, бұл DT отынының аса қысымға түсуіне және термоядролық реакцияның басталуына әкеледі. Сәулелендіру көзі (мысалы, лазер) отын капсуласының өзіне емес, хольраумның ішкі жағына бағытталады. Хольраум энергияны сіңіріп, оны рентген сәулелері түрінде қайта сәулелендіреді, бұл процеске жанама әдіс деп аталады. Бұл әдістің тікелей әдіске қарағанда артықшылығы – лазерлік дақтың жоғары режимді құрылымдары энергия хольраум қабырғаларынан қайта сәулелендірілгенде тегістеледі. Бұл әдістің кемшілігі – төмен режимді асимметрияларды бақылау қиын. Біркелкі күйрейтуге қол жеткізу үшін жоғары және төмен режимді асимметрияларды басқару қабілеті маңызды. Хольраум қабырғаларының беттік тегіс болуы 1 микроннан кем болуы керек, сондықтан дайындау кезінде жоғары дәлдіктің сақталуы қажет. Хольраум қабырғасының дайындау кезіндегі кез келген кемшілігі инерциялық шектеудегі термоядролық синтез кезінде хольраум ішіндегі отын капсуласының біркелкі емес және симметриясыз қысылуына себеп болады. Сондықтан кемшіліктерге жол бермеу үшін беттік өңдеу өте маңызды, өйткені ICF лазерлік импульстері кезінде, жоғары қысым мен температураның салдарынан нәтижелер хольраум текстурасының дөңгелек болуына өте сезімтал. Термоядролық жануды бастау үшін отын капсуласы дәл шар тәрізді болуы керек, оның беттік тегіс болуы бір нанометрден кем болуы керек. Әйтпесе, тұрақсыздық термоядролық реакцияның сөнуіне әкеледі. Отын капсуласында диаметрі 5 микроннан кем болатын кішкентай толтыру тесігі бар, ол DT газымен капсулаға құйылады. Қысым кезінде гидродинамикалық тұрақсыздықтарды болдырмау үшін капсуланың айналасындағы рентген сәулелерінің интенсивтілігі өте симметриялық болуы керек. Алдыңғы конструкцияларда хольраумның ұштарында радиаторлар орналасқан, бірақ осы геометрияда рентген сәулелерінің симметриясын сақтау қиын болды. 1990 жылдардың соңында физиктер иондық сәулелер хольраум қабырғаларына сіңіріліп, рентген сәулелері капсуланы қоршаған кеңістіктің үлкен бөлігінен сәулеленетін жаңа конструкциялар отбасын жасады. Сіңірілетін материалдарды тиімді таңдау арқылы, "таратылған радиатор" деп аталатын бұл конструкция симуляцияларда алдыңғы конструкцияларға қарағанда рентген сәулелерінің симметриясын және нысананың пайдасын жақсартады.

The indirect drive approach to inertial confinement fusion is as follows: the fusion fuel capsule is held inside a cylindrical hohlraum. The hohlraum body is manufactured using a high Z (high atomic number) element, usually gold or uranium. Inside the hohlraum is a fuel capsule containing deuterium and tritium (D T) fuel. A frozen layer of D T ice adheres inside the fuel capsule. The fuel capsule wall is synthesized using light elements such as plastic, beryllium, or high density carbon, i. e. diamond. The outer portion of the fuel capsule explodes outward when ablated by the x rays produced by the hohlraum wall upon irradiation by lasers. Due to Newton's third law, the inner portion of the fuel capsule implodes, causing the D T fuel to be supercompressed, activating a fusion reaction. The radiation source (e. g., laser) is pointed at the interior of the hohlraum rather than at the fuel capsule itself. The hohlraum absorbs and re radiates the energy as X rays, a process known as indirect drive. The advantage to this approach, compared to direct drive, is that high mode structures from the laser spot are smoothed out when the energy is re radiated from the hohlraum walls. The disadvantage to this approach is that low mode asymmetries are harder to control. It is important to be able to control both high mode and low mode asymmetries to achieve a uniform implosion. The hohlraum walls must have surface roughness less than 1 micron, and hence accurate machining is required during fabrication. Any imperfection of the hohlraum wall during fabrication will cause uneven and non symmetrical compression of the fuel capsule inside the hohlraum during inertial confinement fusion. Hence imperfection is to be carefully prevented so surface finishing is extremely important, as during ICF laser shots, due to intense pressure and temperature, results are highly susceptible to hohlraum texture roughness. The fuel capsule must be precisely spherical, with texture roughness less than one nanometer, for fusion ignition to start. Otherwise, instability will cause fusion to fizzle. The fuel capsule contains a small fill hole with less than 5 microns diameter to inject the capsule with D T gas. The X ray intensity around the capsule must be very symmetrical to avoid hydrodynamic instabilities during compression. Earlier designs had radiators at the ends of the hohlraum, but it proved difficult to maintain adequate X ray symmetry with this geometry. By the end of the 1990s, target physicists developed a new family of designs in which the ion beams are absorbed in the hohlraum walls, so that X rays are radiated from a large fraction of the solid angle surrounding the capsule. With a judicious choice of absorbing materials, this arrangement, referred to as a "distributed radiator" target, gives better X ray symmetry and target gain in simulations than earlier designs.

Ядролық қаруды жобалау

Хольраум термині Теллер-Улам конструкциясына сәйкес термоядролық бомбаның қаптамасын сипаттау үшін де қолданылады. Қаптаманың мақсаты – бірінші (бөліну) сатысының энергиясын ұстап, шоғырландыру арқылы екінші (қосылу) сатысын күйдіру болып табылады.